多孔液体增强二氧化碳吸附用于碳酸甘油酯合成

《Journal of Colloid and Interface Science》：Porous liquids-enhanced CO 2 adsorption for glycerol carbonate synthesis

CO2催化转化为甘油碳酸酯（GC）的新方法，通过整合深共熔溶剂（DES）与UiO-66-NH2制备多孔液体（PL）系统，显著提升CO2吸附和催化效率。PL在65℃、1 atm下使GC产率达70.8%，较纯DES提高40%，并保持五次循环稳定性。

　　本研究提出了一种创新的解决方案，旨在提高二氧化碳（CO?）向高附加值化学品转化的效率，特别是在甘油碳酸酯（GC）的合成过程中。GC作为一种环保型化学品，具有广泛的应用前景，例如作为聚合物中间体、化妆品成分、绿色溶剂以及粘合剂等。然而，传统方法在合成GC时通常需要高温高压的苛刻条件，这不仅增加了能耗，也限制了其在工业中的大规模应用。因此，开发一种能够在温和条件下实现高效催化转化的系统成为当前研究的重点。

为了克服上述问题，研究团队设计了一种基于深共熔溶剂（DES）的多孔液体（PL）系统。这种系统通过将具有多孔结构的材料——即UiO-66-NH?金属有机框架（MOF）——与DES结合，实现了对CO?的高效吸附与催化转化。这种结合方式不仅提高了CO?在反应体系中的溶解度，还优化了其在活性位点的扩散过程，从而提升了反应效率。实验结果表明，在温和条件下（65?°C，1?atm，2?h），PL系统中GC的产率显著提高，达到70.8%，比单独使用DES时提高了约40%。这一成果为CO?的高效利用提供了新的思路。

在研究过程中，研究团队首先选择了MTPPBr（甲基三苯基膦溴化物）与甘油作为DES的组成，通过调整两者的摩尔比例，制备出不同性能的DES体系。随后，将这些DES与UiO-66-NH?混合，形成了具有多孔结构的PL系统。UiO-66-NH?作为一种常见的MOF材料，具有较高的比表面积和孔隙率，能够有效吸附CO?并促进其在反应体系中的均匀分布。为了进一步优化反应条件，研究团队还引入了环氧氯丙烷（ECH）作为辅助试剂，通过降低反应的活化能，提高了GC的生成速率。

此外，研究团队对PL系统的物理化学性质进行了详细表征。实验结果显示，PL系统在室温下呈现出稳定的透明状态，且在冷却过程中未出现固体沉淀物，表明其具有良好的热稳定性和流动性。同时，通过模拟计算，研究团队发现CO?在PL系统中的扩散速度和均匀性均优于纯DES体系。这一现象可能与PL系统中多孔结构的引入有关，多孔结构能够提供更多的吸附位点，同时改善CO?在溶剂中的分布情况，从而促进其与甘油的反应。

在催化性能方面，PL系统表现出优异的转化能力。研究团队通过对比实验发现，在相同的反应条件下，PL系统能够实现更高的GC产率。这一提升不仅源于CO?吸附能力的增强，还与PL系统中催化剂的分布和活性密切相关。由于UiO-66-NH?具有一定的催化活性，其在PL系统中的存在能够有效促进反应的进行。同时，研究团队还发现，PL系统具有良好的可重复使用性，在至少五次连续循环后仍能保持稳定的催化性能，这表明其在实际应用中具有较高的可行性。

从应用角度来看，这种PL系统不仅能够有效提高CO?的转化率，还为实现可持续的化学过程提供了新的平台。随着全球对碳排放的关注日益增加，CO?的捕集与利用已成为碳中和战略的重要组成部分。传统的CO?捕集技术往往需要复杂的设备和高昂的成本，而PL系统则提供了一种更为简便和经济的解决方案。通过将CO?的吸附与催化反应相结合，PL系统能够在较低的温度和压力下实现高效的GC合成，从而降低能耗并减少对环境的影响。

本研究还探讨了PL系统在其他催化反应中的潜在应用。由于PL系统具有良好的气体吸附能力和可调控的孔隙结构，它可能适用于多种气体与液体的反应体系。例如，在其他有机合成反应中，PL系统能够提供更高的反应效率，因为它能够同时实现气体的高效吸附和催化活性的提升。此外，PL系统还可能用于其他类型的CO?转化反应，如合成碳酸酯、醇类化合物或有机酸等，这些反应都对CO?的吸附和扩散能力有较高要求。

从经济角度分析，PL系统的成本优势是其重要的竞争力之一。与传统的离子液体相比，DES的制备成本较低，且原料来源广泛，能够满足大规模生产的需要。同时，通过简单混合的方式制备PL系统，避免了复杂的表面改性和高成本的设备投资，使得整个反应体系更加经济高效。这为PL系统在工业中的推广和应用奠定了基础。

从环境角度来看，PL系统的使用能够显著减少对有害试剂的依赖。传统的GC合成方法往往需要使用有毒的试剂，如光气（Phosgene）等，这些试剂不仅对环境造成污染，还可能对操作人员的健康产生威胁。而PL系统则利用CO?作为反应原料，这是一种可再生、无毒且丰富的碳源，能够有效降低对环境的负面影响。此外，甘油作为一种生物柴油生产的副产物，其来源丰富且成本低廉，进一步增强了PL系统的环保性和经济性。

为了验证PL系统的性能，研究团队进行了多次实验，并对不同比例的DES与UiO-66-NH?混合后的反应效果进行了对比分析。实验结果表明，当UiO-66-NH?的含量适当时，PL系统的CO?吸附能力和催化性能均达到最佳状态。这一发现为后续优化PL系统的组成提供了重要的理论依据。此外，研究团队还对PL系统的热稳定性进行了测试，结果表明其在较宽的温度范围内（-80?°C至100?°C）均能保持稳定，这使得PL系统能够适应不同的反应条件，提高了其应用的灵活性。

在实际应用中，PL系统可能面临一些挑战，例如如何进一步提高其催化效率、如何实现大规模生产以及如何优化其在不同反应条件下的性能。此外，PL系统的长期稳定性、循环使用次数以及对不同气体的吸附能力也需要进一步研究。尽管如此，本研究的结果表明，PL系统在CO?捕集与催化转化方面具有巨大的潜力，其简单、高效、经济和环保的特性使其成为未来绿色化学发展的重要方向。

综上所述，本研究通过将DES与MOF材料结合，开发出了一种新型的PL系统，成功实现了在温和条件下对CO?与甘油的高效催化转化。这种系统不仅提高了GC的产率，还降低了反应所需的能量和压力，为实现可持续的化学过程提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索PL系统在其他催化反应中的应用，同时优化其组成和结构，以提高其在实际生产中的适用性和经济性。通过不断改进和创新，PL系统有望成为推动绿色化学发展的重要工具，为减少碳排放和实现资源循环利用做出更大贡献。